JPS6331001B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ 本発明はガス、油、水、蒸気等の流体軸受構造
に係り、特に弾性フオイルを利用したフオイル軸
受において、優れた高速安定性を発揮できる流体
軸受構造に関する。

［発明の技術的背景とその問題点］ 流体軸受は回転軸と軸受面との間に電圧な流体
膜を形成してこの流体膜圧力により回転軸を支持
する方式の軸受であり、特にガス軸受は摩擦損失
が少なく高負荷能力を有する特長があり、ターボ
圧縮機、ターボ膨脹機、ターボチヤージヤ、ター
ボ冷凍機等の高速回転軸の軸受として極めて有効
なものである。

このガス軸受としては剛体軸受とフオイル軸受
とが知られている。剛体軸受では軸変形等に起因
してガス膜の破断を生じるため、現在フオイル軸
受が研究開発されている。

本願出願人も先にフオイル軸受の基本構造につ
いて提案し、優れた性能を発揮することを見出し
た。

ところで、一般にガス軸受にあつては軸受面の
形式がプレーン、スパイラルグループ、ポケツト
型等の高負荷容量型の場合、高速回転域で自励振
動を誘起し不安定となる。この現象はガス膜の圧
縮性と軸受形状に起因するもので高負荷容量型の
軸受では避けられない問題であるが、回転軸の高
速化の要請からその改善が望まれている。

［発明の目的］ 本発明は上述したような問題点に鑑みて創案さ
れたものであり、この目的はフオイル軸受におい
て優れた高速安定性を発揮できる流体軸受構造を
提供するにある。

［発明の概要］ 上記目的は、本発明によれば次のような構成に
より達成される。

即ち支承面上に弾性フオイルが積層されて形成
され、流体膜圧力により回転軸を支承するための
流体軸受において、軸受面上に流体膜を形成する
ための軸受フオイルと、上記軸受面上の流体膜圧
力を規制するために該圧力を解放する圧力解放路
と、上記支承面と上記軸受フオイルとの間に設け
られ、上記圧力解放路から解放される圧力を導入
して制振させるダンプフオイルと、該ダンプフオ
イルを上記支承面上に弾性支持するためのバネフ
オイルとを備えて成るものである。

［発明の実施例］ 以下に本発明の好適一実施例を添付図面に従つ
て詳述する。本実施例にあつては流体軸受として
ジヤーナルガス軸受が例示されている。

第１図に示すように、１はダーボ圧縮機等の回
転軸であり、この回転軸１の外周にはこれを囲繞
して環状の軸受ケース２が設けられている。そし
て回転軸１と軸受ケース２内周の支承面２ａとの
間にはガス膜圧力により回転軸１を支承するため
の弾性フオイル３，４，５が積層して設けられ
る。これら弾性フオイル３，４，５は第２図に示
すように、それらの一端が固定片６に接合されて
一体化され、この固定片６が支承面２に回転軸方
向に沿つて形成された係合溝７に係止されて取り
付けられる。

３は最も回転軸１に近接させて設けられ、その
内周の軸受面３ａ上にガス膜を形成するための軸
受フオイルである。図示例にあつては軸受面３ａ
が平滑に形成されたプレーン状のものが示されて
いるが、この他スパイラルグループ、テーパラン
ド、ポケツト等の加工が施されたものであつても
良い。

特にこの軸受フオイル３には回転軸方向略中央
で板厚方向に貫通させて圧力解放路たる細孔８…
が複数形成される。この細孔８…は軸受面３ａ上
に形成されるガス膜の余剰圧力を解放して軸受面
３ａ上のガス膜圧力を規制し、過剰な昇圧を抑制
するように構成される。

他方５は支承面２ａ上に設けられ、軸受フオイ
ル３に作用するガス膜圧力を支承面２ａから弾発
支持するために後述するダンプフオイル４を弾性
支持するバネフオイルである。バネフオイル５は
第３図に示すように細長い矩形状に形成され、そ
の長手方向に所定ピツチ毎に折曲溝５ａ…が形成
される。そしてこのバネフオイル５は第４図に示
すように支承面２ａに沿つて折り曲げ加工され
る。

これら支承面２ａに配設されるバネフオイル５
と回転軸１側に配設される軸受フオイル３との間
にはダンプフオイル４が設けられる。このダンプ
フオイル４は、その外周にバネフオイル５が摩擦
接触されると共に、内周は細孔８…が形成された
軸受フオイル３の外周に臨ませられる。そして、
これらフオイル３，５相互間の空隙Ｈに細孔８…
から圧力が導入されるように構成される。即ちダ
ンプフオイル４は軸受フオイル３の外側に空隙Ｈ
を形成し、この空隙Ｈ内に圧力解放路たる細孔８
…から軸受面３ａのガス膜の余剰圧力を導入させ
て制振機能を発揮するように構成される。本実施
例にあつては空隙側内周面がプレーン状に形成さ
れるものが示されている。

次に本発明の作用について述べる。

第１図及び第５図に示すように、回転軸１が矢
印の方向に速度Ｖで回転すると回転軸１周囲のガ
スの粘性に基づく巻き込み作用により軸受フオイ
ル３と回転軸１との間に荷重Ｗを支えるためのガ
ス膜が相当の膜厚ｈで形成される。

本実施例で示したプレーンなジヤーナル軸受に
あつては外部減衰があまり大きくない場合１次危
険速度の２倍以上でホワールと呼ばれる自励振動
が発生し不安定となる。この現象はガス膜の膜厚
ｈに発生する過剰なガス膜圧力による軸偏心量の
減少に基づくものである。

本発明は圧力解放路（本実施例にあつては細孔
８…）とダンプフオイル４とにより、過剰なガス
膜圧力の発生を規制すると共に、解放させた圧力
を外部減衰として有効に活用して制振効果を発揮
させるものである。

即ち軸受面３ａ上で発生するガス膜圧力の一部
は細孔８…を介してダンプフオイル４と軸受フオ
イル３との間の空隙Ｈに流入する。従つて可及的
にガス膜圧力の過剰な上昇を規制できる。

また解放された圧力が導入された空隙Ｈは、膜
厚ｈ方向のスクイズフイルムダンパとして機能し
制振効果を発揮する。この作用は弾性フオイル
３，４，５という構成要素によつて発揮されるも
のであり、高速域において顕著な効果を奏する。
また回転軸１が水平方向に置かれたジヤーナル軸
受の場合、反負荷側の軸受面（第１図において、
上方の軸受面）は逆クサビ状（回転方向に末広が
り）のガス膜が形成されて負圧が発生する傾向が
ある。この場合負圧により回転軸１を持ち上げる
力が作用して不安定化に進むことになる。これに
対し本発明にあつては圧力解放路（細孔８…）に
より負圧発生を防止することもできる。

これらの相乗効果により高負荷容量の動圧型ガ
ス軸受の長所を損なうことなく高速回転まで安定
させることができる。従つてターボ機械等高速回
転機器の高効率化を図り得る。

また圧力解放路たる細孔８…を形成したことに
より軸受面３ａ上に溜まり易かつた塵等も圧力の
解放に伴なわせて軸受面３ａ外へ除去させること
ができ、信頼性も向上できる。

また、本発明の軸受構造は変形可能な弾性フオ
イル３，４，５によつて構成されるため、回転軸
１の熱変形、遠心膨脹にも対応できる。

尚、以上の説明にあつては軸受フオイル３とダ
ンプフオイル４とで構成される空隙Ｈは、細孔８
…を流体絞りとして給気させる局所的な自成絞り
型静圧ガス軸受として機能させ、これを分布して
配置させることによつて高速安定化に寄与するも
のである。自成絞り型静圧ガス軸受は静圧ガス軸
受の中にあつてガス流量が小さな形式の一つであ
り、軸受フオイル３の上面に形成させるガス膜の
負荷能力の低下を制限しつつ余剰圧力を解放でき
るものである。この機能は軸受フオイル３とダン
プフオイル４とが弾性に富むフオイルで形成され
ていることにより発揮される特性であり、剛体軸
受にない特長である。

また小型高速で低荷重のロータ等を支持するフ
オイルガス軸受の構成としては次のようにしても
効果がある。低荷重の場合には自成絞り型静圧ガ
ス軸受の部分を局所的なポケツト付オリフイス絞
り型または表面絞り型の静圧ガス軸受としガス流
量を増加させて空隙Ｈをより能動的な局所的に分
布した静圧軸受として機能させ、減衰能力を高め
安定性を向上させることができる。

ポケツト又は表面絞りはダンプフオイル４、軸
受フオイル３のダンプフオイル側面いずれに形成
しても良い。

［変形実施例］ 第６図〜第１９図には上記実施例の変形例が示
されている。

第６図〜第９図に示すものは、上記実施例にお
いて折曲形成したバネフオイルに代替させて以下
のように構成した弾発体９を採用したものであ
る。

弾発体９は第８図に示すように、バネフオイル
５と格子状フオイル１０とからなり、格子状フオ
イル１０にはその長手方向に沿つて等間隔で縦格
子状に歯１１…が設けられており、バネフオイル
５は格子状フオイル１０の歯１１…が交互にその
表裏に現れるように組み付けられる。他の構成は
上記実施例と同様である。

第１０図及び第１１図に示すものは、上記実施
例においてプレーン状の軸受面で形成した軸受フ
オイルに代替して軸受面３ａに回転軸の回転方向
Ｖに沿つて側部から中央部に向けて軸受面３ａよ
りδだけ深く加工されたヘリングボーン状のグル
ーブ１２…を形成したものである。本実施例にあ
つは、圧力解放路は軸受面３ａの中央部に周方向
に沿つて板厚方向に貫通させて形成した複数の細
孔８…と、これら細孔８…とグループの中央部側
端部（グループエンド）１２ａ…との間に形成さ
れた絞り通路１３…とから構成される。また図示
しないが絞り通路を省略して直接グループエンド
１２ａ…に細孔を形成しても良い。

このように軸受面３ａにグループを形成したガ
ス軸受にあつては（後述するスパイラルグルーブ
型、ポケツト型も同様である。）、上述したプレー
ン型の軸受が軸受面と回転軸との間に形成される
くさび状ガス膜による圧力発生機構を有している
のに対し、グルーブ１２…に沿うガスの巻き込み
作用によつて昇圧する一種の粘性ポンプ様の圧力
発生機構を備えている。従つて軸受面３ａと回転
軸１とを同軸で構成しても昇圧機能を発揮する。

即ち、回転軸１が回転するとガスは軸受面３ａ
の外方へ解放されたグルーブ１２…の一端１２ｂ
からグルーブ１２…内に巻き込まれてゆく。巻き
込まれたガスは順次グルーブ１２…内で減速され
順次圧力が高められてゆく。そしてグルーブエン
ド１２ａ…で最大圧力を発生しガス膜を形成して
ゆく。

このグルーブ型軸受も高負荷能力を有するもの
であるが、上述したプレーン型軸受と同様、高速
域で不安定となる。これに対し本発明にあつては
余剰圧力をグルーブエンド１２ａ…から絞り通路
１３…及び細孔８…を介して解放できるので自励
振動の発生を抑止できると共に、更に解放された
圧力を空隙Ｈで外部減衰としてのスクイズダンパ
作用に利用して大幅に安定性を向上させることが
できる。

第１２図〜第１８図に示すものはスラストガス
軸受に本発明を適用した場合が示されている。第
１２図において、１４は回転軸のスラストカラー
であり、スラストカラー１４はＶ方向に回転して
いる。また、スラストカラー１４のスラスト荷重
Ｗをガス膜を形成して支承すべく、スラストカラ
ー１４に臨ませこれに対向させて軸受ケース２が
設けられると共に、軸受ケース２の支承面２ａに
は回転軸を囲繞する環状の弾性フオイル３，４，
１５，１６，５が取り付けられている。これら弾
性フオイル３，４，１５，１６，５は、スラスト
カラー１４側から軸受ケース２に向かつて軸受フ
オイル３、ダンプフオイル４、くし形フオイル１
５、バネフオイル５、くし形フオイル１６を順次
積層させて５枚設けられる。これらフオイル３，
４，１５，１６，５はいずれも環状をなし、それ
らの平面図を第１３図〜第１７図に夫々示す。

軸受フオイル３は、その表面が軸受面３ａを成
し、この軸受面３ａにはガス膜圧力発生のための
スパイラル状の溝、すなわちスパイラルグルーブ
１２が形成されている。また、軸受フオイル３に
は、くし形フオイル１５等、他のフオイルと重ね
合せた状態で固定するための取付孔３ｂが、その
外周部に適宜間隔にて複数設けられている（図示
例では６個）。またダンプフオイル４、バネフオ
イル５にも同様にその外周部に取付孔４ａ，５ａ
が設けられている。

くし形フオイル１５は、リング状の外周部１５
ｂとその内周面より径方向にくし形フオイル１５
中心に向つて延出されたくし歯１５ｃとからな
り、くし歯１５ｃは外周部１５ｂに沿つて等ピツ
チにて複数、放射状に設けられている。更に、く
し形フオイル１５の外周部１５ｂには、取付孔１
５ａが設けられている。またくし形フオイル１６
も、くし形フオイル１５と同一形状、寸法であ
り、外周部１６ｂとこれに等ピツチにてくし歯１
６ｃが設けられると共に、取付孔１６ａを有して
いる。くし形フオイル１５とくし形フオイル１６
との構造上の相違は、くし歯１５ｃ，１６ｃに対
する取付孔１５ａ，１６ａの加工位置のずれにあ
る。即ち、取付孔１５ａ，１６ａは、等ピツチに
て設けられたくし歯１５ｃ，１６ｃに対して互い
に1/2ピツチずらして設けられている。それ故、
軸受フオイル３、ダンプフオイル４、くし形フオ
イル１５、バネフオイル５、くし形フオイル１６
がそれら取付孔３ａ，４ａ，１５ａ，５ａ，１６
ａを一致させて軸受ケース２に５枚重ねて取り付
けられたときに、第１２図示すように、くし歯１
５ｃと１６ｃとが周方向に沿つてバネフオイル５
の両面に交互に1/2ピツチで配置されることにな
る。

このようなスラストガス軸受において第１８図
に示すようにスパイラルグルーブ１２…のグルー
ブエンド１２ａ…に細孔８が形成され、この細孔
８…は間隙Ｈに連通されて上記実施例と同様な効
果を奏するものである。

尚、第１９図にはスパイラルグルーブに代替さ
せてポケツト型グルーブ１７が示されている。

また図示しないが円錐面軸受にも適用すること
ができる。

ところで上記実施例及び変形実施例において、
軸受フオイル３の軸受面やダンプフオイル４の表
面加工はフオトエツチング等により容易にでき、
量産性、コストメリツトに優れるものである。

尚、上記実施例及び変形実施例にあつてはガス
を利用した流体軸受を例示して説明したが、油、
水、水蒸気等を利用した流体軸受であつても同様
な効果を奏する。

［発明の効果］ 以上要するに本発明によれば次のような優れた
効果を発揮する。

(1) 軸受面上の流体膜圧力の過剰な上昇を規制す
るために余剰圧力を解放する圧力解放路と、こ
の圧力解放路から解放される圧力を導入して軸
受フオイルとの間にスクイズダンパを構成する
ダンプフオイルとを備えたことにより自励振動
の発生を抑止して優れた高速安定性を発揮でき
る。

(2) また圧力解放路により流体中に含まれる塵等
の異物を軸受面から除去でき軸受機能の信頼性
を向上し得る。

(3) 圧力解放路はフオトエツチングにより簡単且
つ安価に形成できる。

(4) 負荷能力の低下が少ない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の好適一実施例を示す正面断面
図、第２図は軸受構成部材の斜視図、第３図はバ
ネフオイルを示す斜視図、第４図はバネフオイル
の折曲状態を示す斜視図、第５図は第１図の周方
向の展開断面図、第６図は変形実施例を示す正面
断面図第７図は軸受構成部材の斜視図、第８図は
弾発体の組立状態を示す平面図、第９図は第６図
の周方向展開断面図、第１０図はヘリングボーン
状の軸受フオイルを示す斜視図、第１１図は第１
０図におけるＡ部拡大平面図、第１２図はスラス
ト軸受に適用した場合の一部側断面図、第１３図
はスパイラルグルーブ状のスラスト用軸受フオイ
ルを示す平面図、第１４図はダンプフオイルを示
す平面図、第１５図はくし形フオイルを示す平面
図、第１６図はバネフオイルを示す平面図、第１
７図は他のくし形フオイルを示す平面図、第１８
図は第１３図におけるＢ部拡大平面図、第１９図
はポケツト型グルーブを有する軸受フオイルを示
す一部斜視図である。 図中、１は回転軸、２ａは支承面、３は軸受フ
オイル、３ａは軸受面、４はダンプフオイル、５
はバネフオイル、８，１３は圧力解放路として例
示した細孔及び絞り通路である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 支承面上に弾性フオイルが積層されて形成さ
   れ、流体膜圧力により回転軸を支承するための流
   体軸受において、軸受面上に流体膜を形成するた
   めの軸受フオイルと、上記軸受面上の流体膜圧力
   を規制するために該圧力を解放する圧力解放路
   と、上記支承面と上記軸受フオイルとの間に設け
   られ、上記圧力解放路から解放圧力を導入して制
   振させるダンプフオイルと、該ダンプフオイルを
   上記支承面上に弾性支持するためのバネフオイル
   とを備えたことを特徴とする流体軸受構造。